现代城市轨道交通信号系统的发展探讨

现代城市轨道交通信号系统的发展探讨摘要:本文国内外城市轨道交通信号系统的3种制式,分析模拟轨道电路系统、数字轨道电路系统以及基于通信的列车运行控制系统制式的优缺点,提出适合国情的城市轨道交通信号系统,分析了国产化成为将来城市轨道交通建设的发展方向。关键词:城市轨道交通;控制;信号1城市轨道交通信号系统技术发展趋势信号系统是保障行车安全、提高运输能力的关键技术装备。城市轨道交通信号系统随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展而不断发展。信号系统中,地面与车载设备的安全信息传输方式,大致经历了模拟轨道电路、数字轨道电路和无线通信3个阶段。1.1基于模拟轨道电路的ATC系统轨道电路是将区间线路划分为若干固定的区段,进行列车占用检查和向车载ATC设备传送信息的载体。列车定位是以固定的轨道电路区段为单位,采用模拟轨道电路方式由地面向车载设备传送图1模拟轨道电路列车运行速度控制示意图10～20种信息,列车采用阶梯式速度控制,称之为固定闭塞。如图1所示。模拟轨道电路在我国应用的代表产品有:从英国西屋引进的FS-2500无绝缘轨道电路(北京地铁1号线、13号线);从美国GRS公司引进的无绝缘数字调幅轨道电路(上海地铁1号线);大连轻轨采用国产WG-21A轨道电路。从系统整体角度来看,基于模拟轨道电路的ATC系统中各子系统处于分立状态,技术水平明显落后,维修工作量大,制约了列车运行速度和密度的进一步提高,将逐步退出历史舞台。1.2基于数字轨道电路的ATC系统数字轨道电路采用数字编码方式,地面向车载设备传送数十位数字编码信息,列车可实现一次模式曲线式安全防护,缩短了列车运行间隔,提高了舒适度。数字轨道电路列车速度控制曲线如图2采用数字轨道电路的ATC系统,列车可实现一次模式曲线式安全防护,因此称之为准移动闭塞。数字轨道电路在我国应用的代表产品有美国USSI公司的AF-904无绝缘数字轨道电路(上海地铁2号线、津滨轻轨等);德国西门子公司的FTGS无绝缘数字轨道电路(广州地铁1、2号线,南京地铁1号线等)。数字轨道电路的ATC系统采用微电子技术、计算机技术和数字通信技术,延续了轨道电路故障2安全的特点,目前在我国和世界范围内开通运用较多,系统的可靠性和稳定性得到了充分的验证。但数字轨道电路存在以下缺点。1.必须具备很强的抗干扰能力。轨道电路中ATC信息电流一般在几十毫安至几百毫安,而列车牵引回流最大可达4000A。2.受轨道电路特性限制,只能实现地面向列车的单项信息传输,信息量也只能到数十比特,限制了ATC系统的性能。3.与牵引供电专业的设备安装相互影响。信号设备和牵引供电设备都需要安装在轨道上,2个专业设备的安装必须相互协调,否则会相互影响对方系统的性能。4.无法进行列车精确定位。只能按轨道电路区段对列车进行定位,一般区段长度为30～300m,对缩短列车运行间隔有一定的限制。1.3基于通信的列车运行控制系统(CBTC)CBTC的特点是前、后列车都采用移动定位方式,通过安全数据传输,将前行列车的位置信息安全地传递给后续列车,可实现一次模式曲线式安全防护,并且其防护点能够随前车的移动而实时更新,有利于进一步缩小行车间隔,提高运输效率,称之为移动闭塞。CBTC系统列速度控制如图3所示。图3CBTC列车运行速度控制示意图无线通信的传输方式很多,但是目前国内主要采用的有4种方式。1.无线AP传输方式:采用沿着轨道方向的无线定向天线,传输距离可以达到200～400m。优点是安装简单,施工方便,成本低。缺点是无线场强分布不均匀。2.漏缆传输方式:沿着同轴电缆的外部导体周期性或非周期性配置开槽口,电信号在该电缆中传输的同时,能把电磁能量的一部分,按要求从特殊开槽口以电磁波的形式放射到周围的外部空间,既具有传输线的性质,又具有无线电发射天线的性质。优点是场强覆盖均匀、适应性强、电磁污染小等。缺点是成本较高。3.波导管传输方式:波导管是一种双向数据传输的无线信号传输媒介,具有传输频带宽、传输损耗小、可靠性高、抗干扰能力强等特点。缺点是工艺复杂,受环境湿度影响较大。4.感应环线方式:通过轨道铺设交叉感应环线,实现无线通信。在我国已经开通使用的武汉轻轨和广州地铁3号线是采用加拿大阿尔卡特公司的SelTracMB系统,用感应环线实现车2地信息双向传输;北京地铁10号线和奥运支线、广州地铁4号线用德国西门子公司的TrainguardMT,用点式AP实现无线信息传输;北京地铁2号线改造、机场线采用法国阿尔斯通公司的URBALISTM,用波导管和点式AP实现无线信息传输。现在正在建设的项目(广州地铁5号线、广佛线,上海地铁6、7、8、9号线,北京地铁4号线,沈阳地铁1、2号线,成都地铁1号线等),都选择了基于点式AP无线通信的CBTC系统,它已经成为我国城市轨道交通信号系统选型的主流制式。CBTC系统采用当前先进的计算机技术和信息传输技术,不与牵引供电争轨道,有利于牵引供电专业合理布置设备;不需要在轨道上安装设备,易形成疏散通道。采用CBTC技术,具有多方面优势(提高效率、易于延伸线建设和改造升级),可以充分利用国内现有的信号产品和资源,易于实现国产化。其中具有完全自主知识产权的计算机联锁设备和ATS子系统已经成功在现场开通使用。但目前CBTC系统的应用在国际上还处于初期阶段,国外厂商都在结合工程实践不断完善,开通投入商业运营的线路并不多,开通过程中主要存在以下技术瓶颈,需要在今后的研制和工程实施中加以解决。1)CBTC系统的列车定位和移动授权依赖无线信息传输,如果某列车或地面某点发生无线通信中断或故障,就会失去对列车的定位,将对运营造成较大的影响,且故障处理将比原来的轨道电路系统复杂。世界上已进行了近30年的CBTC系统研制,最大的技术瓶颈就是一旦发生通信故障时,如何保障行车安全和减小对运营的影响面问题。为此绝大多数采用CBTC系统的工程都配置了后备信号系统,以解决上述问题。2)除采用环线通信外,目前CBTC系统采用的IEEE802.11系列的WLAN标准是一个开放的无线频段,该频段不限制其他用户使用,用户较多时容易造成相互干扰,特别是在高架开放区段,抗外部干扰问题尤为重要。3)列车从地面的一个AP切换到另一个AP时信息传输会有中断,存在一定程度的丢包现象,如何提高信息传输的可靠性也待研究。2城市轨道交通线信号系统选型2.1新建线路信号系统制式选择根据上述城轨交通信号系统发展情况和各种制式的应用情况,对于城市轨道交通线网新线建设,信号系统制式选择原则如下:①不宜再采用基于模拟轨道电路的ATC系统;②仍然可采用基于数字编码轨道电路的ATC系统;③推荐采用基于通信的列车控制系统(CBTC)。2.2旧线改造信号系统模式我国早期建设的运营线路(旧线)一般采用轨道电路方式的ATC系统,因此在信号系统改造时,推荐采用基于通信的列车控制系统(CBTC)方案。改造期间,无线通信的CBTC系统与既有的轨道电路互不影响,减少了改造的技术难度和工程管理难度。3国产化城轨交通信号系统进展情况国内开发的城市轨道交通系统3种制式都有,基本上都采用CBTC基于无线的列车控制系统。主要开发进展情况如下。1.中国铁道科学研究院,充分利用专业齐全的优势,通过多年的研发,完成了包括CBTC系统的所有子系统(ATS、联锁、ATP、ATO、DCS、应答器等),并进行了室内系统调试、现场试验和调试。铁科院的ATS子系统、计算机联锁子系统是国内成熟技术,具有城市轨道交通业绩,已经具备工程实施的条件。铁科院的CBTC系统对无线故障情况下的后备转换,进行了深入的研究,能够在保证行车安全的情况下,尽量减少对正常运营的干扰,达到了先进的水平。在安全性方面,与研发同步进行第三方安全认证工作,已签署安全认证合同并开展安全认证工作。2.2004年,北京交通大学、北京地铁运营公司、北京和利时公司申请北京市科委“基于通信的城轨CBTC系统研究”科研项目,在北京地铁试车线进行了ATP、ATO试验,并在大连设立了10km试验段,包括地面线路和地下线路,进行了2列列车的追踪试验。亦庄线计划2010年底开通点式ATP,2011年底CBTC全系统全功能开通。3.北京全路通信信号研究设计院也正在进行城市轨道交通CBTC的研发,它们利用自身研发的通过SIL4级的安全控制平台,进行室内点式ATP的研发。目前运营的CBTC系统都是国外设备,从实际运营的情况看,存在着维护费用高的问题,因此发展国产化的CBTC设备成为当前紧迫的任务。注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。